[发明专利]红外光学温度测量装置、方法及MOCVD系统

说明书

本发明涉及一种红外光学温度测量装置、方法及MOCVD系统，该红外光学温度测量装置仅包括温度测量通道，有效简化了红外光学温度测量装置的结构和测温操控时的复杂程度。所述温度测量通道包括：光学处理模块，用于在薄膜生长过程中收集以及过滤被测量对象辐射的红外光信号；信号处理模块，用于将经过过滤的红外光信号转换为电信号，以及将该电信号转换为数字信号，并直接将该数字信号作为温度测量结果输出，由于温度测量通道中的光学处理模块过滤后得到的红外光信号的光谱宽度大于等于50纳米，能够有效减弱红外光信号的相干性，从而减小因为薄膜干涉造成的温度测量结果的波动，提高温度测量的准确性。

技术领域

本发明涉及一种红外光学温度测量技术，更具体地说是涉及一种在薄膜生长过程中用于红外光学温度测量的装置和方法，以及包含该红外光学温度测量装置的MOCVD（金属有机化学气相沉积）系统。

背景技术

当前蓝绿光LED（发光二极管）大部分是GaN（氮化镓）系列，一般采用 MOCVD的方式在蓝宝石衬底上面生长GaN薄膜。因MOCVD系统生长所涉及的物理、化学等过程极其复杂，所以在LED生长整个过程都需要实时监测薄膜的生长环境例如温度环境等。温度测量的方式一般采用非接触式红外光学测温装置（pyrometer），即利用物体辐射的红外光能量的强弱来测量其温度，因为GaN薄膜和蓝宝石衬底对红外波段光均不吸收，具有很好的透光性，所以红外温度装置测量得到的温度，实际是位于蓝宝石衬底底部的托盘表面的温度。

GaN薄膜生长过程中，蓝宝石衬底表面的GaN薄膜层的厚度一直在变化（变厚），GaN薄膜层上下表面形成薄膜干涉的两个界面，随着厚度的变化，GaN薄膜层的反射率也会随之变化，造成即使托盘温度稳定，而由红外光学测温装置测量得到的温度相关的能量辐射信号也仍然会呈现波动的问题发生，这使得由红外光学测温装置测量得到的温度也呈现波动，不能如实反映出被测量对象的真实温度稳定的情况。而因为测量的温度呈现波动，使得被测量对象的加热系统误以为被测量对象实际温度真的有波动而会相应变化加热功率，以实现被测量对象被测量到温度呈现表面上的稳定，然而实际上托盘真实温度却有很大幅度的波动。

为了解决上述问题，通常MOCVD系统中红外光学温度测量装置结构如图1所示，包括两路探测通道。图1中多个蓝宝石衬底片2置于托盘1上，托盘1在生长过程中一直保持旋转，蓝宝石衬底片2上面生长GaN薄膜，集光探头安装在喷淋头3上面，一直监测托盘1因高温而辐射的探测光（具体可以是红外光）。在第一路探测通道（红外光学温度测量通道）中，红外光信号通过藕合透镜4（即入纤透镜）进入测温光纤6的一端，测温光纤6的另一端接在温度测量装置中的控制盒16上面，经过一段距离的传输后，测温所采集的红外光信号通过准直透镜8（出纤透镜）聚集在光电探测器11上面，在出纤透镜8和光电探测器11之间设有一个普通的红外滤光片9。光电探测器11将光信号转换成为电信号，电信号通过放大电路及A/D（模数）转换模块14成为数字信号，数字信号作为温度测量中间数据可以传送给显示模块15，或可以通过数据接口17输出。

该方案中，由于仅根据单独一路红外光学温度测量通道并不能解决因薄膜干涉引起的温度测量结果波动问题，为此现有的温度测量装置中通常还包括第二路探测通道（反射率测量通道），来测量GaN薄膜的实时反射率，分辨出薄膜厚变化引起的干涉效果影响，从而将温度测量通道所测得的能量辐射信号中受薄膜厚度变化引起的干涉效果进行修正。在第二路通道中测量反射率时采用的相关参数，例如探测波长（即采集的红外光波长）和带宽等，一般与第一路中进行温度测量时的光路参数相同。